高效热分解垃圾处理系统

廖文权

（南宁广发重工集团有限公司，广西 南宁530001）

0 引言

我国固体废弃物产出量巨大，2017年10月发布的《〈中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法〉实施情况的报告》显示：我国每年产生畜禽养殖废弃物近40亿吨、主要农作物秸秆约10亿吨，一般工业固体废物约33亿吨，工业危险废物约4000万吨，医疗废物约135万吨，建筑垃圾约18亿吨，大中城市生活垃圾约2亿吨，固体废物产生量呈增长态势。还应当引起重视的是，我国历年堆存的工业固体废物总量达 600～700 亿吨[1]。

我国固废处理行业起步晚、方法落后，截至目前仍旧处于初级阶段，中国2亿吨城市生活垃圾60%靠填埋，35%靠焚烧，其它处理占比非常少。

填埋法是一种最终处理技术，虽然它有着投资少、处理量大、技术成熟等一些优点，但其缺点亦很明显：填埋场选址越来越困难；垃圾可回收利用部分被埋掉，造成资源浪费；渗滤液污染地下水，使其难以治理。

垃圾焚烧法减量效果显著，可以使生活垃圾重量减少80%，垃圾焚烧产生高温气体，利用其热能发电、供热可直接实现资源化，但焚烧法处理垃圾投资大、运行成本高、排放烟气中的二次污染等问题，使该方法的应用受到了限制。

热分解法，有机固体有机废物在无氧或缺氧的高温条件下受热分解。产生燃气、焦油或焦炭等，垃圾中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在炭黑中，且热解烟气中灰量小，二恶英的生成量很少，节省尾部净化设施的建设和运行费用的同时，二次污染的排放低，是垃圾处理的一项新技术[2]。

该系统以高效热解气化技术为核心，配以高温净化炉、超强湍流传质处理系统，并从源头上对二恶英的污染进行了有效地控制，从而实现垃圾资源化利用，解决垃圾围城问题，最大限度地节约资源、保护环境。

1 高效热分解垃圾处理工艺流程

1.1 系统原理

热分解是将有机物在无氧或缺氧状态下加热，使之分解为：（1）以氢气、一氧化碳、甲烷等低分子碳氢化合物为主的可燃性气体；（2）在常温下为液态的包括乙酸丙酮等化合物在内的燃烧油类；（3）纯碳与玻璃、金属、土砂等混合物形成的碳黑的化学分解过程[3]。

热解反应可以用通式表示如下：

有机固体废物——气体（H2/CH4/CO/CO2）+有机液体（有机酸+芳烃+焦油）+炭黑+炉渣

热分解在其热化反应中由于用空气作为气化剂，由于可以缺氧热解，致使氧气供应量比直接焚烧明显的减少了。从而使排放尾气中的SO2、NOx亦随之明显下降，使之燃后的NOx、SO2以及颗粒物量也会明显减排。

1.2 系统工艺流程

高效热分解垃圾处理工艺流程如图1所示，高效热分解炉——高温净化炉——超强湍流传质塔。

图1 高效热分解垃圾处理工艺流程图

在热解炉中，垃圾炉体上端进料，炉下端燃烧温度达到1 100～1 300℃高温，中端维持900℃快速热解，上端逐渐降至600℃～500℃烘干垃圾，保证上端进料逐渐烘干，流入中端高温区被热裂解成以CO、H2为主的燃气；燃气将进入二燃室，供以充足的空气，使可燃气体在1 000℃的高温下充分燃烧，使有毒有害物质完全分解，达到无害化。1 000℃的烟气，继续前行，通过高温换热器，将1 000℃的烟气降到500℃，以回收高温显热，回收显热可以发电；继续前行，通过超强湍流传质骤降塔降温，烟气瞬间从500℃降至200℃以下，阻断了二恶英的复合再生条件，尾气再通过超强湍流传质塔，SO2、NOx、HCl、烟尘、重金属等有害物被有效清除，达到超低排放的标准。

2 高效热分解垃圾处理系统

2.1 高效热分解炉

温度是热解过程的关键控制变量，热解的温度不同，热解后所得的产物和产量也不同，而且物性也不一样。在温度升至400℃，有机垃圾大分子裂解成较多的中小分子，油类含量相对较多。随着温度的升高，除大分子裂解外，许多中间产物也发生了二次裂解，气体产量成正比增长，而焦油、炭渣产量相对减少。在热解温度为800℃～900℃之间时，有机垃圾的热解产物主要是气态的小分子挥发分。在较高的温度下热解速度加快，也可使燃烧后的固态残余物大大减少，降低对它的处理难度[4]。

如图2，热解气化炉从上到下，依次为干燥层、热解层、热解燃烧层、燃烧层和冷却层。垃圾首先在干燥层由热解层上升的烟气干燥，其中的水分挥发；在热分解层和热解燃烧层分解成一氧化碳、气态烃类等可燃物进入混合烟气中。热解气化后的残留物（液态焦油、较纯的碳素以及垃圾本身含有的无机灰土和惰性物质）进入燃烧层充分燃烧。燃烧温度达到1 100～1 300℃。燃烧层产生的热量用来提供热解层和干燥层所需的热量，并将热解层人温度控制在800℃～900℃之间高效热解。

图2 高效热分解炉

燃烧层产生的残渣进入冷却层，由炉底部的一次供风冷却（同时达到了预热一次供风的目的），经炉排的机械挤压、破碎后，由排渣系统排出炉外。热解气化炉产生的混合烟气进入二燃室燃。由热解气化炉底部送入的一次风穿过残渣层，给燃烧段提供充分的助燃氧。空气在燃烧过程中消耗了大量氧，并在上行至气化层和热分解层时继续提供参与反应的氧。立式炉型和底部送风方式满足了垃圾在关键的热分解气化阶段温度和反应空气量（缺氧和少氧）的条件，并能使参与反应的垃圾维持在这个环境下足够的时间。

当炉进入热分解常态下，可用二燃室产生的高温尾气，由风机返送于炉内，从多个不同角度进入使热分解的气化、燃烧、燃尽三层进行气流带动涡旋，使热解率及烟气质量提高。

直通立式热分解炉进料时垃圾下降速度过快，没有缓冲过程让垃圾下降时完成预热-热分解气化-氧化燃烧提供热能的稳定过程，既不能保证垃圾燃烬更达不到余碳、焦油的热分解气化，且容易结块，难以实现氧化燃烧提供热能的最优配置。因此对热解气化炉体进行改进，安装四层活动炉排，将炉体分成干燥层、热解层、热解燃烧层、燃烧层和冷却层，以减缓垃圾下降的时间，同时让其反应充分，以达到热解气化的目的，提高热分解效率。

炉体在运营中的无源结构性的总体架构下，操作简单、自动化程度高、费用低。

2.2 高温净化炉

热解气中除 H2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6等六种主要气体外，还含有 NOx、HCI、H2S、NH3、O2、C3、C4、C5碳氮化合物及离分子碳氮化台物等气体，在二燃室内，采用过氧燃烧，将温度控制在1 000℃，气体停留时间大于2 s，能使多氯联苯类物质、残炭等完全燃烧分解，使二恶英残留量极少[5]。

如图3，热解气体进入高温燃烧室内，经过喇叭型的燃烧炉前入口，接进燃烧器端口。在控氧涡旋燃烧室内进行二次燃烧。该燃烧室呈管式蜂窝状结构，在主通道内设有涡旋气流结构通道，形成涡旋状的空气形成了多层、多点、多路径的湍流燃烧模式。与之相联的空气腔、鼓风机、调节阀则控制空气输入，使炉中的燃烧呈湍流涡旋，形如“龙卷风”之形成，故称为“龙卷风燃烧”。使热解气体气能温度提高到1 000℃～1 200℃，从而改变火焰结构，使炉内组织起贫氧燃烧，扩展火焰燃烧区域，火焰边界几乎扩展到炉膛边界，使温度分布均匀，它工况噪音小，是了名符其实的“清洁燃烧”之利器。同时，高温净化炉形成的高温场、对气体中的二恶英、呋喃等严重传染物的高温热分解，也是它排放达到环保要求的关键所在。

图3 高温净化炉

2.3 尾气处理超强湍流传质系统

鉴于生物质垃圾在炉中燃烧，含水量高，进而产生尾气湿度居高不下，如果用传统的静电除尘、布袋除尘和半干法除尘就会产生工况运转难度明显增大、费用增高等诸多困难，选用超强湍流传质技术（见图4）就可以达到克服以上问题的而达最佳环保效果。

图4 超强湍流传质塔

超强湍流传质技术，从上个世纪末至今得到航天部、国家环保总局、国家发改委的多次支持，这一技术被应用在电站锅炉以及工业锅炉的除尘脱硫领域，可实现高效除尘、脱硫超低排放，不带水，不结垢堵塞，液气比小，能耗低，运行成本低廉，投资性价比优。

超强湍流传质技术是利用气流本身的能量，通过改变流道的大小和方向，对气流矢量加速和强化气流的扩散，形成超强湍流传质传热均匀流场，特別是固体颗粒进入超强湍流传质场，被撞击分散，气体本身在撞击固体时，也伴随分散，实现在最短的时间，最小的空间，最小的固气比下，达到气固充分接触，提高最小能耗下的气固混合。在超强湍流传质场中能实现各相都分散，这是实现高速、高效传质的关键。超强湍流传质场的湍流强度比起一般湍流场强度会高出二至六倍或以上[6]。

超强湍流传质传热技术由于超强湍流场的形成，在多相流中强化了相间传质传热，使烟气瞬间从500℃降至200℃以下，阻断了二恶英的复合再生条件，SO2、NOx、HCl、烟尘、重金属等有害物质被有效清除，能实现除尘脱硫一体（共塔），达到超低排放。

3 高效热分解垃圾处理系统的特点及应用效果

（1）本系统有利于控制二恶英类物质的生成。由于热分解过程是大分子有机物转变为小分子可燃气体的过程，炉内环境中缺少氧气，在热分解过程中有价金属没有被氧化，垃圾中的Cu、Fe等金属不易生成为促进二恶英类物质形成的催化剂，减少了二恶英类物质的生成。尾气处理系统由骤冷器及超强湍流传质传热净化塔组成，使尾气再经骤冷降到200℃以下，上述骤冷工序是除去二恶英再生的基本条件。

（2）本系统有利于控制NOx、SO2以及颗粒物量排放。热分解在其热化反应中由于用空气作为气化剂，使用缺氧热解工艺，致使氧气供应量比直接焚烧明显的减少，从而使排放尾气中的SO2、NOx亦随之明显下降。由于无需对热解炉中的垃圾和气体进行额外搅拌，使得烟气中颗粒物量的含量明显降低。

（3）本系统可减少尾气处理设备的投入。热分解气化炉和高温净化炉均采用清洁燃烧工艺，NOx、SO2、二恶英类物质以及颗粒物量生成少，尾气处理工艺简单。超强湍流传质技术可实现高效除尘、脱硫超低排放，能耗低，运行成本低廉，投资性价比优。

（4）本系统由南宁广发重工集团有限公司研制开发出的国产高效垃圾热解气化焚烧设备，具有投资低、运行费用低、焚烧效率高、无需预处理、无二次污染等特点，对国内垃圾适应性强，还适合于医疗废物等特种垃圾、有机工业废弃物、生畜禽养殖废弃物、农作物秸秆等。

4 结束语

垃圾热解技术同焚烧技术相比，具有资源化程度高、无害化彻底、二次污染小的特点，在未来的垃圾处理技术中有很宽的应用前景。本系统的创新点：一热解气化炉安装四层活动炉排，将炉体分成干燥层、热解层、热解燃烧层、燃烧层和冷却层，以减缓垃圾下降的时间，同时让其反应充分，提高热分解效率；二超强湍流传质骤降塔降温，烟气瞬间从500℃降至200℃以下，阻断了二恶英的复合再生条件，达到超低排放的标准。需改进之处是水分影响垃圾升温过程，延长了热解时间，垃圾热解前应该进行干燥预处理。